多址技術課件

第4章

多址技術1第4章多址技術4.1引言4.2頻分多址(FDMA)技術4.3時分多址(TDMA)技術4.4碼分多址(CDMA)技術4.5空分多址(SDMA)技術4.6四種多址技術的比較4.7ALOHA協(xié)議24.1引言多路復用：將來自不同信息源的各路信息，按某種方式合并成一個多路信號，然后通過同一個信道傳送給接收端。接收端再從該多路信號中按相應方式分離出各路信號，分送給不同的用戶或終端。簡而言之，多路復用是利用一條信道同時傳輸多路信號的一種技術，可以解決在同一信道內同時傳送多個信號的問題3多址技術是指多個地球站（用戶終端）的射頻信號在射頻信道上的復用，以實現(xiàn)各個地球站（用戶終端）之間的通信。衛(wèi)星通信中指的是多個地球站發(fā)射的信號，通過公共的衛(wèi)星轉發(fā)器在射頻信道上的復用，以實現(xiàn)各個地球站之間的通信。多址技術的目的是多個用戶共享信道、動態(tài)分配網絡資源。常見的多址技術有頻分多址(FDMA)，時分多址(TDMA)，碼分多址(CDMA)，空分多址(SDMA)。5多路復用和多址技術的相同點：都是為了共享通信資源。理論基礎都是信號的正交分割原理。多路復用和多址技術的不同點：多路復用一般在中頻或基帶實現(xiàn)，多址技術通常在射頻實現(xiàn)。多路復用中通信資源是預先分配給各用戶。多址接入中通信資源通常是動態(tài)分配的，由用戶在遠端提出共享要求，在系統(tǒng)控制器控制下，按照用戶對通信資源的需求，隨時動態(tài)地改變通信資源的分配。67多路復用多址技術9信道分配技術“信道”的含義：FDMA中是指各地球站占用的轉發(fā)器頻段。TDMA中是指各地球站占用的時隙。CDMA中是指各地球站使用的碼型。常見的信道分配方式主要有三種101．預分配方式(PA)按事先規(guī)定半永久性地分配給每個地球站固定數(shù)量的信道，各地球站只能使用分配給它們的這些特定信道與有關地球站通信，其他地球站不得占用這些信道。優(yōu)點：信道是專用的，實施聯(lián)接簡單，建立通信快，基本上不需要控制設備。缺點：使用不靈活，信道不能相互調劑，在業(yè)務量較輕時信道利用率低。適合大容量系統(tǒng)。113．隨機分配(RA)它是指通信中各種終端隨機地占用衛(wèi)星信道的一種多址分配制度。常用于數(shù)據(jù)交換業(yè)務。因為數(shù)據(jù)通信一般間斷而不是連續(xù)地使用信道，且數(shù)據(jù)包發(fā)送的時間也是隨機的，因而如果仍使用固定預分配甚至按需分配，則信道利用率就很低。采用隨機占用方式則可大大提高信道的利用率?！芭鲎病?。13雙工方式雙工是指通信雙方能夠同時進行雙向傳送消息的一種通信方式。頻分雙工(FDD)：收發(fā)頻率分開，接收設備通過濾波器分離各路信號時分雙工(TDD)：收發(fā)共用一個頻率，收發(fā)信號通過開關來控制144.2頻分多址(FDMA)技術當多個地球站共用衛(wèi)星轉發(fā)器時，如果根據(jù)配置的載波頻率的不同來區(qū)分地球站的地址，這種多址聯(lián)接方式就為頻分多址。各地球站配置不同的頻率，這種頻率配置可以是預先固定指配的，也可以是按需分配的。根據(jù)是否使用基帶信號復用，可分為每載波多路(多路單載波)和每載波單路(單路單載波)方式。154.2.1MCPC和SCPC多路單載波-頻分多址(MCPC-FDMA)方式每個地球站分配一個專用載波，首先把所有要發(fā)射的基帶信號復用在一起，然后調制、上變頻，將頻率變換到指定頻率，最后再以FDMA方式發(fā)射和接收。因此，經衛(wèi)星轉發(fā)的每個載波所傳送的是多路信號。一般采用預分配方式。1718單路單載波-頻分多址(SCPC-FDMA)方式在一路載波上只傳送一路話音或數(shù)據(jù)。特點：可采用“話音激活”技術可減小互調干擾可實現(xiàn)數(shù)模兼容，提高使用的機動性和靈活性。由于這種系統(tǒng)設備簡單、經濟靈活、線路易于改動，特別適用于站址多，業(yè)務量小的場合應用。19SCPC系統(tǒng)的頻率配置212、按需分配-頻分多址(SPADE)方式單路單載波-脈碼調制-按需分配-頻分多址在采用SPADE方式工作的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，通常將一個衛(wèi)星轉發(fā)器的一部分頻率配置為公用傳輸信道(CSC)，而另一部分頻率配置為話音通道(CH)。22SPADE系統(tǒng)的頻率配置23輸入功率輸出功率飽和點工作點輸出回退值輸入回退值25在功率放大器正常的工作范圍內，功放的輸出功率與輸入功率間存在著線性關系。然而隨著輸入電壓的不斷增大，輸出功率的增長會逐步降低。此時，意味這功率放大器已經開始進入飽和狀態(tài)。輸出功率與輸入功率間的關系也逐步偏離線性關系，最終達到無論輸入功率再增大多少，而輸出功率將不在隨之增大。功放在給定的頻率點能夠輸出的最大的功率，我們稱為飽和功率。行波管工作點越接近于飽和點，效率越高，多載波條件下的最大輸出功率越高，但非線性失真也越嚴重。26FDMA的優(yōu)點技術成熟、設備簡單、不需網同步、工作可靠、可直接與地面頻分制線路接口、工作于大容量線路時效率高，特別適用于站少而容量大的場合。29FDMA的缺點：任一地球站為了能接收其他地球站的信號，都必須設有除本站外的所有下行頻率的接收電路；轉發(fā)器要同時放大多個載波，容易形成互調干擾。為了減少互調干擾，必須進行電平“回退”補償，功率利用率不高；需要保護頻帶，故頻帶利用率不高。各上行鏈路功率電平要求基本一致，否則容易引起強信號抑制弱信號現(xiàn)象，因此大小站不易兼容；30FDMA的地球站框圖314.3時分多址(TDMA)技術4.3.1TDMA的基本原理用不同時隙來區(qū)分地球站的地址，只允許各地球站在規(guī)定的時隙內發(fā)射信號，這些射頻信號通過衛(wèi)星轉發(fā)器時，在時間上是嚴格依次排列、互不重疊的。32將時間上連續(xù)的模擬信號變?yōu)闀r間上離散樣值的過程稱為抽樣。抽樣定理說，要傳輸模擬信號，不一定要傳輸模擬信號本身，只需傳輸按抽樣定理得到的抽樣值即可。時分多址是建立在抽樣定理之上33x(t)(V)t(s)抽樣－時間離散化34x(t)(V)t(s)35x(t)(V)t(s)36由此，可利用各信號的抽樣值在時間上不相互重疊來達到在同一信道中傳輸多路信號的目的。37t路時隙寬度幀周期38在TDMA系統(tǒng)中，衛(wèi)星將在一個TDMA幀內的不同時隙接收并轉發(fā)來自各地球站（它們都采用相同的載波）的突發(fā)脈沖串。也就是說，每一地球站只在TDMA幀的一個時隙內接收和發(fā)送突發(fā)脈沖。為了保證每一地面終端的突發(fā)（子幀）能在所指定的時隙到達衛(wèi)星，對系統(tǒng)定時和信號格式將有嚴格的要求。為此，每幀內的第一個時隙將由基準站發(fā)出“基準”子幀以作為同步和網控之用。TDMA的幀長一般都取125s的整數(shù)倍。39TDMA系統(tǒng)模型40TDMA網絡定時的示意圖41TDMA系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)格式和框圖42TDMA系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)格式和框圖43TDMA幀結構TDMA幀基準分幀信息分幀時隙1時隙2時隙3時隙n……信息子幀尾比特同步比特信息數(shù)據(jù)保護比特44TDMA幀的基本組成基準站相繼兩次發(fā)射基準信號的時間間隔叫做一幀，TDMA幀由一個基準分幀和若干信息分幀組成，每個分幀占據(jù)一個時隙。基準分幀(同步分幀)：TDMA幀內的第一個時隙，不含任何業(yè)務信息，僅用作同步和網絡控制。數(shù)據(jù)分幀：除基準地球站外其他地球站占據(jù)的時隙。為了保證各子幀之間不相互重疊，在它們之間留有一定的保護時間。45TDMA系統(tǒng)幀結構46TDMA的效率系統(tǒng)效率：在發(fā)射數(shù)據(jù)中信息所占的百分比，不包括系統(tǒng)開銷；幀效率：發(fā)送數(shù)據(jù)比特在一幀中所占的百分比；47例：INTELSAT衛(wèi)星的每幀符號數(shù)為120,832。幀周期為2ms，幀效率0.949，話音信道比特率64kb/s，采用QPSK調制。求話音信道容量。解：符號率=120,832/2ms=60.416Msymbol/sQPSK調制每符號表示2比特信息，所以總的信息速率為 RT=60.4162=120.832Mbit/s幀效率0.949，每路話音64kbit/s，話音信道數(shù) N=(0.949120.832106)/(64103)=1792484.3.2TDMA系統(tǒng)的同步在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，有一個基準站，基準站的時鐘是獨立的，并作為全網的基準時鐘。系統(tǒng)中所有業(yè)務站都以這個基準時鐘來進行工作。TDMA系統(tǒng)的同步內容包括載波同步、時鐘同步和分幀同步。49分幀同步包括兩方面的內容其一是指在地球站開始發(fā)射數(shù)據(jù)時，如何使其進入指定的時隙，而不會對其他分幀構成干擾，這就是分幀的初始捕獲。其二是指如何使進入指定時隙的分幀信號處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，即使該分幀與其他分幀維持正確的時間關系，不致出現(xiàn)相互重疊的現(xiàn)象，這就是分幀同步技術。504.3.3數(shù)字話音內插統(tǒng)計結果表明，在話音通信系統(tǒng)中，每條通信線路上實際傳送的話音信號只占總線路時間的40%左右。利用話路的空閑時間傳輸其他路的話音信號就可以提高信道利用率。數(shù)字話音內插(DSI)就是利用話音通信的這個特點，將路數(shù)較多的話音信號壓縮到路數(shù)較少的信道上進行傳輸?shù)募夹g。在TDMA系統(tǒng)中由于采用了DSI技術，使通信容量增大了一倍。51TDMA的優(yōu)點(1)對于TDMA方式，衛(wèi)星轉發(fā)器上任何時刻都只有一個載波工作，不會產生交調干擾，行波管可以工作在飽和狀態(tài)，能充分利用轉發(fā)器的功率；(2)TDMA方式對地球站等效全向輻射功率變化的限制，沒有FDMA方式那樣嚴格；(3)TDMA方式可根據(jù)各站業(yè)務量的大小來調整各站時隙的大小，大小站可以兼容，易于實現(xiàn)按需分配；52(4)TDMA方式是對各地球站和轉發(fā)器進行時間分隔，無需FDMA方式的多次變頻，簡化了電路結構；(5)數(shù)字通信系統(tǒng)，與地面數(shù)字系統(tǒng)的接口方便，信號傳輸質量高，有利于綜合業(yè)務的接入。同時也便于做星上處理；(6)容量大。TDMA方式可以與數(shù)字話音內插(DSI)和自適應差分編碼(ADPCM)技術配合，形成數(shù)字電路倍增設備，使轉發(fā)器容量大大提高（達5倍）；53TDMA系統(tǒng)的不足必須保持各地球站之間的精確同步，才能讓所有用戶實現(xiàn)共享衛(wèi)星資源的目的。TDMA系統(tǒng)的網同步復雜。544.4碼分多址(CDMA)技術各地球站使用相同的頻率，任意時間發(fā)射。利用正交（或準正交）的偽隨機碼作為地址信息，對已調信號進行擴頻調制，使頻譜大大展寬。在接收端以本地產生的地址碼為參考，根據(jù)相關性的差異對接收到的所有信號進行鑒別，從中將地址碼與本地地址碼完全一致的寬帶信號還原為窄帶信號而選出。554.4.1直接序列碼分多址系統(tǒng)擴頻：直接用具有高碼率的擴頻碼序列(偽隨機序列)在發(fā)端去擴展信號的頻譜。解擴：在收端用相同的擴頻碼序列去解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。565758碼分多址（CDMA）59fP(a)用戶信號的功率譜曲線直接序列擴頻通信的頻譜變換60fP(b)擴頻61(c)經信道傳輸，接收到的信號Pf干擾信號發(fā)送信號噪聲62(d)解擴有用信號干擾信號噪聲Pf63Pf(e)濾波之后的信號有用信號干擾信號噪聲64序列的相關性自相關：長度(周期)為P的碼序列x的自相關系數(shù)互相關：周期均為P的兩個碼序列x和y的互相關系數(shù)65τ=0時的自相關系數(shù)例：碼序列1111的自相關系數(shù)6615位碼序列τ≠0時的自相關系數(shù)(a)τ=4Tc(b)τ=Tc67n=4,P=15碼序列的自相關系數(shù)曲線68{x}=110111010{y}=111111100兩個序列(P=31)互相關函數(shù)曲線69在碼分多址中，希望采用互相關小的碼序列，理想情況是希望ρx,y(τ)=0，即兩個碼序列完全正交。下圖是碼長為4的4組正交碼的波形，它們之中任兩個碼都是正交的，因為在一個周期中，兩個碼之間相同位的與不同位的數(shù)目均相等，故ρ=0。碼長為4的4組正交碼的波形70例在CDMA系統(tǒng)中，系統(tǒng)為用戶1分配的擴頻碼為-11-11，用戶1的話音信號數(shù)據(jù)為1-1-11-1-1，速率為13kbps，則在發(fā)射機端，該話音數(shù)據(jù)經過擴頻后(每個語音信號比特與擴頻碼相乘)，擴頻信號速率為13*4=52kchips/s。

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1-11-1在接收機端，用同樣的擴頻碼-11-11進行解擴(對擴頻信號做逐碼片相乘，然后每四個碼片求和)4-4-44-4-4如果用系統(tǒng)分配給用戶2的擴頻碼-1-111對用戶1的接收信號進行解擴處理，得到的是0000071衛(wèi)星通信中CDMA的優(yōu)點：用戶共享一個頻率，無需頻率規(guī)劃。保密性好，抗干擾、抗截獲能力強。利用多徑，采用RAKE技術提高系統(tǒng)性能。衛(wèi)星通信中CDMA的不足：頻譜利用率較低，不適合大容量干線使用，目前除用于軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)外，主要用于衛(wèi)星移動性通信系統(tǒng)和少數(shù)小容量VSAT系統(tǒng)。724.4.2跳頻碼分多址系統(tǒng)跳頻(FH，F(xiàn)requencyHopping)。在發(fā)送端，利用PN碼控制頻率合成器，使頻率在一個寬范圍內偽隨機地跳變，跳頻系統(tǒng)占用了比信息帶寬要寬得多的頻帶。在接收端，本地PN碼產生器提供一個和發(fā)端相同的PN碼，驅動本地頻率合成器產生同樣規(guī)律的頻率跳變，和接收信號混頻獲得已調信號。73跳頻圖案74三種多址技術的射頻利用方式FDMA、TDMA和CDMA的RF利用754.5空分多址(SDMA)技術如果通信衛(wèi)星采用多波束天線，各波束指向不同區(qū)域的地球站，那么同一信道可以被所有波束同時使用，這就是空分多址(SDMA)。實際應用中，一般不單獨使用SDMA方式，而將其與其它多址方式結合使用。適合站數(shù)多、業(yè)務量大、衛(wèi)星頻帶嚴重不足的場合。76星上交換-頻分多址(SS-FDMA)方式SDMA-SS-FDMA系統(tǒng)，簡稱SS-FDMA。在衛(wèi)星上設置若干點波束天線，通過波束的指向不同區(qū)分不同區(qū)域的地球站，各波束使用相同的頻率。一個波束內的地球站所發(fā)信號采用FDMA方式區(qū)分。衛(wèi)星上有一組濾波器和一個交換矩陣，將從不同上行波束到達的FDMA信號按需要分別送到不同的下行波束去。77星上交換SS-FDMA78SS-FDMA衛(wèi)星轉發(fā)器方框圖ABCDEF79星上交換-時分多址(SS-TDMA)方式SDMA-SS-TDMA系統(tǒng)，簡稱SS-TDMA。在衛(wèi)星上設置若干點波束天線，通過波束的指向不同區(qū)分不同區(qū)域的地球站。一個波束內的地球站所發(fā)信號采用TDMA方式區(qū)分。衛(wèi)星上有一個可編程快速交換矩陣(MSM)，將從不同上行波束到達的TDMA突發(fā)按需要分別送到不同的下行波束去。地球站需要準確知道衛(wèi)星上交換矩陣的切換時間，從而控制本站的發(fā)射時間，以保證在準確的時間里通過交換，建立嚴格的同步。80星上交換SS-TDMA81SS-TDMA系統(tǒng)原理圖824.6四種多址技術的比較頻分多址FDMA特點：各站發(fā)射的載波信號在轉發(fā)器內所占的頻帶互不重疊(所發(fā)信號頻率正交)各載波的包絡恒定轉發(fā)器工作于多載波識別方式：濾波器83主要優(yōu)點：可沿用地面微波通信的成熟技術和設備，設備比較簡單；不需要網同步主要缺點：有互調噪聲，不能充分利用衛(wèi)星功率和頻帶；上行功率、頻率需要嚴格控制；為防止鄰道干擾，在各載頻間設置適當?shù)谋Ｗo頻帶，頻譜利用率不高；大、小站不易兼容。適用場合：FDM/FM/FDMA方式適合站少，中、大容量的場合；TDM/PSK/FDMA方式適合站少、中等容量的場合；SCPC系統(tǒng)適合站少、小容量的場合。84時分多址TDMA特點：各站發(fā)射的載波信號在轉發(fā)器內所占的時間互不重疊(所發(fā)信號時間正交)轉發(fā)器工作于單載波識別方式：時間選通門85主要優(yōu)點：沒有互調問題，衛(wèi)星功率與頻帶能充分利用；上行功率不需嚴格控制；便于大、小站兼容，站多時，通信容量仍較大主要缺點：需要精確的同步系統(tǒng)適用場合：中、大容量線路86碼分多址CDMA特點：各站使用不同的碼型進行擴展頻譜調制(所發(fā)載波信號碼型準正交)各載波包絡恒定，在時域和頻域互相混合識別方式：相關器87主要優(yōu)點：抗干擾能力較強；信號功率譜密度較低，隱蔽性好；不需要網定時；使用靈活主要缺點：頻帶利用率低，通信容量小，不適合大規(guī)模通信網絡；地址碼選擇較難；接收時地址碼的捕獲時間較長適用場合：軍事通信；小容量線路廣播系統(tǒng)88空分多址SDMA特點：各站發(fā)射的載波信號只進入該站所屬通信區(qū)域的窄波束中(所發(fā)信號空間正交)可實現(xiàn)頻率重復使用轉發(fā)器成為空中交換機識別方式：窄波束天線89主要優(yōu)點：可以提高衛(wèi)星頻帶利用率，增加轉發(fā)器容量或降低對地球站的要求主要缺點：對衛(wèi)星控制技術要求嚴格，對衛(wèi)星的穩(wěn)定和姿態(tài)控制提出很高的要求；星上設備較復雜，需用交換設備適用場合：大容量線路，結合其它多址技術使用904.7ALOHA協(xié)議ALOHA是一種隨機多址訪問方式，用于數(shù)據(jù)傳輸，是衛(wèi)星數(shù)據(jù)網采用的主要多址方式。這種系統(tǒng)中，每個用戶都可以訪問一條共享信道，而無需事先與系統(tǒng)中的其他用戶進行協(xié)商，適合突發(fā)型業(yè)務。當數(shù)據(jù)量很大時，衛(wèi)星信道的傳輸效率就會急劇下降。因此，它只適合于容量小、地球站卻很多的情形。914.7.1純ALOHA(P-ALOHA)方式純ALOHA是一種完全隨機多址方式。每個地球站有一個發(fā)射控制單元，它將數(shù)據(jù)分成若干段，每段加上報頭和報尾構成一個數(shù)據(jù)分組，每次以分組的形式高速發(fā)射數(shù)據(jù)。在純ALOHA系統(tǒng)中，任何站只要有數(shù)據(jù)要發(fā)射，隨時都可以發(fā)射，然后等待一段時間(電波往返傳播時間)，如果該站在這段時間內收到對方應答信號，就認為發(fā)射成功，否則必須重發(fā)。92衛(wèi)星分組通信原理93由于在純ALOHA方式中對用戶發(fā)送數(shù)據(jù)分組的時間未加以任何限制，因此對任一分組而言，只要有其他站發(fā)射分組，便會在信道上發(fā)生“碰撞”現(xiàn)象。94ALOHA方式的應用特點①系統(tǒng)結構簡單，全網不需要定時和同步，用戶入網方便，無需協(xié)調。②當業(yè)務量較小時具有良好的通信性能。③吞吐量低。由于存在碰撞現(xiàn)象，其吞吐量(即有效傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率)較低，最高吞吐量也只能達到網絡容量的18.4%。④存在信道不穩(wěn)定性。即當信道業(yè)務量較小時，信道利用率隨業(yè)務量增加而增加，但當業(yè)務量增大到一定的程度時，吞吐量反而減小，信道利用率下降，極端情況吞吐量降為零。95例：ALOHA網絡采用9600kbit/s的數(shù)據(jù)率，則總的最大吞吐量為0.1849600kbit/s=1766kbit/s且這1766kbit/s的容量必須由所有用戶共享964.7.2時隙ALOHA(S-ALOHA)方式時隙ALOHA是一種時分隨機多址方式。它是將信道分成許多時隙，每個時隙正好傳送一個分組。時隙的定時由系統(tǒng)時鐘決定，各站控制單元必須與此時鐘同步。各站只允許在時隙始端開始發(fā)射。因此，一旦發(fā)生碰撞就是完全重疊，完全碰撞。最大信道利用率可達36.8%，相比純ALOHA方式增加一倍，但全網需要定時和同步，設備比較復雜，且仍存在信道不穩(wěn)定性問題。9798業(yè)務量吞吐量994.7.3捕獲效應ALOHA(C-ALOHA)